Thiết kế và phân tích bộ nghịch lưu PWM công suất 5kW

Bộ nghịch lưu nguồn dòng điện - chỉnh lưu có điều khiển 1.Bộ nghịch lưu một pha

Đối với bộ nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn điện một chiều thực tế lμ không đổi, không phụ thuộc vμo hiện tượng của bộ nghịch lưu trong khoảng lμm việc trước đó. Trong thực tế thì bộ nghịch lưu nguồn dòng được cung cấp bằng nguồn điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn (hình 1.12), điều đó cho phép lμm thay đổi điện.

Bộ nghịch lưu nguồn điện áp chỉnh lưu có điều khiển 1. Bộ nghịchlưu một pha

Tải của mạch nghịch lưu thông thường mang tính cảm nên trong sơ đồ có thêm hai diode ngược đấu song song với các Transistor tương ứng, nhằm ngăn ngừa quá điện áp lớn xuất hiện trên các cực Transistor khi đóng cắt dòng tải. Điện cảm của tải lμm thay đổi dạng sóng hình bậc thang của điện áp ra.Nguyên nhân chủ yếu lμ việc chuyển mạch của dòng điện tải trong các diode lμm duy trì các chuyển mạch (hình 1.21a) khép kín rong khoảng lớn hơn 1200.

Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung - chỉnh lưu không điều khiển

+ Dòng điện vμ diện áp vẫn chứa nhiều thμnh phần sóng hμi tần số cơ bản. + Với những hệ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì bộ nghịch lưu nμy khó đáp ứng đ−ợc do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn.

Sin hoá PWM

Với giá trị cao của hệ số điều biến tần số , thμnh phần sóng hμi dòng điện dây sẽ d−ợc lọc khá tốt bởi đện kháng tản của động cơ vμ dòng điện dây tiến dần đến dòng điện hình sin chuẩn. Khi tăng giá trị của P ( tương đương với tăng số lần đóng cắt trên một giây) sẽ lμm tăng tổn hao trong đóng cắt của bộ nghịch lưu nhưng lại giảm được thμnh phần sóng hμi trong động cơ.

T−ơng quan tần số

Gần tần số gốc, xuất hiện quá trình quá độ của chế độ xung vuông, tại đó tần số sóng mang có thể cho rằng giống nh− tần số cơ bản. Bộ điều khiển đ−ợc thiết kế một cách cẩn trọng vì vậy tại điểm có sự nhảy cấp của tần số không có sự nhảy cấp của điện áp.

Ph−ơng thức loại trừ sóng hμi

Để giải quyết lý do nμy, một PWM phối hợp đ−ợc tạo ra, theo ph−ơng thức nμy thì tại dải tần số thấp ta sử dụng một ph−ơng pháp sin hoá vμ tại tần số cao ta sử dụng một ph−ơng pháp sin hoá khác. Theo ph−ơng thức nμy, sự nhảy cấp của điện áp đ−ợc điều khiển chính xác trong dải công suất lớn vμ tổn hao sóng hμi bậc cao gặp phải trong quá trình sin hoá PWM đ−ợc giảm một cách căn bản.

Ph−ơng thức dạng sóng dòng điện nhỏ nhất

Ph−ơng pháp loại trừ hμi bậc cao có thể kéo dμi trong một dải công suất không đổi, tại đó điều khiển điện áp để đạt hiệu suất cao trong hệ thống điều khiển có thể đạt đ−ợc. Từ ph−ơng trình Iripple thay Vn ta tìm đ−ợc hμm của góc khoản trống.giá trị góc khoảng trống có thể có đ−ợc bằng lặp trên máy tính để tìm giá trị nhỏ nhất của Iripple.

Điều khiển thích nghi dòng điện PWM

Khi giá trị dòng điện v−ợt quá dải trễ không chế thì transistor cao ở nửa cần đ−ợc khoá vμ transistor thấp đ−ợc mở.Kết quả lμ điện áp đầu ra thay đổi từ +0,5Ud đến -0,5Ud vμo dòng điện bắt đầu giảm. Bộ nghịch lưu vì vậy trở thμnh một nguồn dòng thay vì một nguồn áp, dòng điện biến đổi đ−ợc điều khiển thích nghi trong một dải nhiễu không quan trọng vμo dao động của nguồn Vd.

Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực

Qua trình đóng cắt các van bán dẫn đ−ợc xác định trước do quá trình so sánh điện áp của sóng sin chuẩn vμ sóng tam giác. Khi điện áp hình vuông đặt lên động cơ thì dòng điện trong động cơ tăng lên theo hμm số mũ, khi không có điện áp đặt lên động cơ sẽ xảy ra quá trình xả.

Phương pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực

Quá trình suy giảm của dòng tải có thể điều khiển đ−ợc bằng xung âm.

So sánh hai phương pháp nghịch lưu

Ta thấy rằng yêu cầu ổn định tần số đầu ra lμ khá cao, dải điều chỉnh tần số lớn. Vì vậy ta thiết kế mạch nghịch lưu theo nguyên tắc của nghịch lưu PWM l−ìng cùc.

Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt vμ dạng mạch động lực 1. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt

+ Theo phần đại cương ở chương 2 thì các thμnh phần sóng hμi tồn tại trong một dải xung quanh tần số chuyển mạch vμ lμ bội số của nó lμ: ms , 2ms , 3ms… ứng với hệ số điều biến biên độ biến đổi trong khoảng 0,1. Do đó hệ nghịch lưu cấp nguồn cho động cơ 50/60Hz thì tần số cơ bản của điện áp ra có trị số cần thiết đến 200 Hz hệ số điều biến có thể lμ 9 hoặc nhỏ hơn, điều đó tương đương với tần số chuyển mạch 2kHz.

Chọn hệ số điều biến biên độ

Trong khoảng điều khiển tuyến tính thì điện áp ra gần điện áp hình sin hơn thμnh phần sóng hμi được lọc tốt hơn nhưng đổi lại tổn hao trong bộ nghịch lưu tăng do van bán dẫn phải chuyển mạch nhiều lần trong một chu kì. Trong khoảng điều khiển phi tuyến thì có thể cho ra ở đầu ra một điện áp lớn hơn khi cùng một giá trị điện áp đầu vμo nh− chế độ điều khiển tuyến tính, nh−ng bù lại thì trong thμnh phần điện áp ra chứa nhiều thμnh phần sóng hμi do chuyển mạch đựoc thực hiện phần lớn ở chế độ xung vuông.

Tính toán chọn van đóng cắt

• Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu

Bộ tụ đấu hình sao dung l−ợng tụ tăng lên ba lần nh−ng đổi lại ta loại đ−ợc sóng hμi cả điện áp pha vμ điện áp dây, vμ đặc biệt khi tụ đấu hình sao có trung tính thì có thể loại luôn cả điện áp thứ tự không sinh ra khi chuyển mạch van bán dẫn. Nh−ợc điểm lớn nhất của mạch lọc lμ giá thμnh vμ sự vận hμnh của mạch, sự vận hμnh của mạch kém tin cậy hơn mạch lọc RC do trong mạch có cuộn cảm vμ đặc biệt lμ loại mạch lọc nμy gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng điện từ của cuộn cảm.

Thiết kế cuộn kháng lọc sau mạch nghịch lưu Thiết kế cuộn kháng cho tần số 500 Hz

Do dòng đi vμo mạch nghịch lưu lμ không đổi nên ta không cần mạch lọc trước mạch nghịch lưu để lọc thμnh phần hμi bậc cao cho bộ nghịch lưu. Do cuộn kháng cấp tần số 500Hz gồm ba cuộn riêng biệt, nên để đơn giản thì ta thiết kế cuộn kháng cho tần số 50 Hz cũng gồm ba cuộn riêng biệt.

Thiết kế máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh lưu + Công suất biểu kiến của máy biến áp

Có thể giảm điện dung của tụ đi, tuy nhiên phải thêm một bộ điều áp sau bộ chỉnh lưu, hoặc dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển để điều áp. Mạch điều khiển bao gồm các phần tử đ−ợc thể hiện theo sơ đồ khối, bao gồm các phần tử tuyến tính, phi tuyến, các mạch logic…Các mạch cảm biến sẽ đo thông số của mạch lực để.

Những vấn đề chung về mạch điều khiển vμ mạch phản hồi

Khi đòi hỏi của tải cao thì ta có thể thiết kế một mạch kiểm tra điện áp của tần số lọc, khi tần số lọc không phải lμ số nguyên thì ta có thể có thêm mạch chuyển đổi vμ dịch pha điện áp đặt của tần số để có điện áp hình sin chuẩn của điện áp đặt tần số. Do khuôn khổ của đồ án, ta sẽ không đề cập vấn đề nμy ở đây, tất cảc các vấn đề đ−ợc đề cầp tiếp theo sẽ dựa trên hai tiêu chí lμ: điều khiển tần số lμ nhảy cấp cỡ Hz hoặc khi điều khiển tần số liên tục thì ta chấp nhận điện áp ra không thoả mãn khi có sự biến đổi điện áp tần số đặt.

Sơ đồ cấu trúc mạch điều chỉnh dòng điện vμ đặt tần số

Đối với dòng điện ta sử dụng phản hồi âm, dòng điện phản hồi cùng với dòng điện đặt sau khi qua khâu hiệu chỉnh sẽ tạo ra tín hiệu đặt dòng điện cho bộ nghịch lưu. Một đặc điểm quan trọng lμ nếu đem sin tín hiệu X thì ta sẽ thu đ−ợc tín hiệu đầu ra lμ tín hiệu không phải lμ hμm sin nữa, mμ lμ tín hiệu cos ( )ωt nh−.

Xác định dải tần hoạt động của lọc

Do vậy, với thiết bị nhạy cảm với sóng hμi (nh− động. Điện áp dây ab. Sóng hμi điện áp pha a. Sóng hμi điện áp dây ab. Sóng hμi dòng điện pha a. cơ điện) không nên để vận hμnh quá lâu ở tần số vμ điện áp thấp, vì nh− vậy sẽ gây ra tổn hao rất lớn vμ gây phát nóng thiết bị. + Mạch phản hồi dòng điện: Nhiệm vụ lμ phản hồi tín hiệu dòng điện dây ở đầu ra, cung cấp tín hiệu dòng điện đầu ra theo một tỷ lệ đặt trước mμ không quan trọng giá trị của tín hiệu đó lμ bao nhiêu, chỉ cần tín hiệu đó nằm trong dải cho phép của thiết bị đo.

Kết quả mô phỏng mạch kín

Nh− tất cả các hệ thống điều khiển, khi ở ngoμi dải điều chỉnh thì mạch phản hồi dòng điện không còn chức năng điều chỉnh nữa mμ chỉ còn chức năng ngắt dòng. Trong quá trình kiểm tra đáp ứng của mạch phản hồi dòng điện ta tiến hμnh thay đổi giá trị điện trở tải, cố định tần số điện áp ra, cố định giá trị dòng điện đặt.